玻璃的節(jié)能特性與節(jié)能玻璃

　　玻璃作為透明材料被廣泛應(yīng)用于建筑、交通運(yùn)輸、船舶、航空、制冷等行業(yè)，它不僅是良好的透明材料也是一種良好的熱導(dǎo)性材料。不管玻璃被應(yīng)用于哪個(gè)領(lǐng)域，通過(guò)玻璃進(jìn)行熱傳導(dǎo)都會(huì)發(fā)生，而透過(guò)玻璃的熱傳導(dǎo)大部分是能量損失。例如在建筑上使用的普通平板玻璃所發(fā)生的能量損失所占的比例很大，據(jù)資料介紹普通玻璃應(yīng)用于建筑上，有1/3能量是通過(guò)玻璃的傳導(dǎo)而損失的。

　　目前在世界性能源緊張的今天節(jié)能已成為一種趨勢(shì)，減少通過(guò)玻璃的能量損失越來(lái)越被建筑師和建筑使用者所重視，幾乎所有的建筑師都希望能透過(guò)某種途徑盡量減少建筑上的損失，以使建筑物的能耗盡量少。減少透過(guò)玻璃的能量損失已被提到議事日程。其實(shí)節(jié)能玻璃在最近幾年已獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，只是人們對(duì)玻璃的認(rèn)識(shí)還不十分全面，因此掌握玻璃的節(jié)能特性對(duì)正確選用玻璃品種至關(guān)重要。

　　1 玻璃節(jié)能評(píng)價(jià)的主要參數(shù)

　　自然界中熱量的傳遞通常有三種形式：對(duì)流、輻射和傳導(dǎo)。由于玻璃是透明材料，通過(guò)玻璃的傳熱除上述三種形式外還有太陽(yáng)能量以光輻射形式的直接透過(guò)。衡量通過(guò)玻璃進(jìn)行能量傳播的參數(shù)有熱傳導(dǎo)率及K值（在美國(guó)稱(chēng)為U值）、太陽(yáng)能透過(guò)率、遮蔽系數(shù)、相對(duì)熱增益等。

　　1.1 K值

　　K值表示的是在一定條件下熱量通過(guò)玻璃在單位面積（通常是1m2）、單位溫差（通常指室內(nèi)溫度與室外溫度之差一般1℃或1K）、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞焦耳數(shù)。K值的單位通常是W/㎡K。K值是玻璃的傳導(dǎo)熱、對(duì)流熱和輻射熱的函數(shù)，它是這三種熱傳方式的綜合體現(xiàn)。玻璃的K值越大，它的隔熱能力就越差，通過(guò)玻璃的能量損失就越多

　　1.2 太陽(yáng)能參數(shù)

　　透過(guò)玻璃傳遞的太陽(yáng)能其實(shí)有兩部分，一是太陽(yáng)光直接透過(guò)玻璃而通過(guò)的能量；二是太陽(yáng)光在通過(guò)玻璃時(shí)一部分能量被玻璃吸收轉(zhuǎn)化為熱能，該熱能中的一部分又進(jìn)入室內(nèi)。通常有三個(gè)概念來(lái)定義：

　?。?SPAN lang=EN-US>1）太陽(yáng)光透射率

　　太陽(yáng)光以正常入射角透過(guò)玻璃的能量占整個(gè)太陽(yáng)光入射能的百分?jǐn)?shù)。

　?。?SPAN lang=EN-US>2）太陽(yáng)能總的透過(guò)率

　　太陽(yáng)光直接透過(guò)玻璃進(jìn)入室內(nèi)的能量與太陽(yáng)光被玻璃吸收轉(zhuǎn)化為熱能后二次進(jìn)入室內(nèi)的能量之和占整個(gè)太陽(yáng)光入射能的百分?jǐn)?shù)。

　　（3）太陽(yáng)能反射率

　　太陽(yáng)光被所有表面（單層玻璃有兩個(gè)表面，中空玻璃有四個(gè)表面）反射后的能量占入射能的百分?jǐn)?shù)。

　　1.3 遮蔽系數(shù)

　　遮蔽系數(shù)是相對(duì)于3mm無(wú)色透明玻璃而定義的，它是以3mm無(wú)色透明玻璃的總太陽(yáng)能透過(guò)率視為1時(shí)（3mm無(wú)色透明玻璃的總太陽(yáng)能透過(guò)率是0.87）其他玻璃與其形成的相對(duì)值，即玻璃的總太陽(yáng)能透過(guò)率除以0.87。

　　1.4 相對(duì)熱增益

　　用于反映玻璃綜合節(jié)能的指標(biāo)，它是指在一定條件下即室內(nèi)外溫度差為15℃時(shí)透過(guò)單位面積（3mm透明，1㎡）玻璃在地球緯度30O處海平面，直接從太陽(yáng)接受的熱輻射與通過(guò)玻璃傳入室內(nèi)的熱量之和。也就是室內(nèi)外溫差在15℃時(shí)的透過(guò)玻璃的傳熱加上地球緯度為30O時(shí)太陽(yáng)的輻射熱630W/㎡與遮蔽系數(shù)的積。相對(duì)熱增益越大，說(shuō)明在夏季外界進(jìn)入室內(nèi)的熱量越多，玻璃的節(jié)能效果越差。對(duì)于玻璃真實(shí)的熱增益是由建筑所處的地球緯度、季節(jié)、玻璃與太陽(yáng)光所形成的夾角以及玻璃的性能共同決定的。影響熱增益的主要因素是玻璃對(duì)太陽(yáng)能的控制能力即遮蔽系數(shù)和玻璃的隔熱能力。

　　相對(duì)熱增益特別適合于衡量低緯度且日照時(shí)間較長(zhǎng)地區(qū)向陽(yáng)面玻璃的使用情況，因?yàn)樵撝笜?biāo)是在室外溫度高于室內(nèi)溫度時(shí)室外熱流流向室內(nèi)且太陽(yáng)能也同時(shí)進(jìn)入室內(nèi)的情況下而給定的。

　　對(duì)于不存在太陽(yáng)能輻射部位使用玻璃時(shí)，反映玻璃保溫能力的指標(biāo)只有K值。

　　建筑節(jié)能高性能中空玻璃及其節(jié)能效果

　　2 節(jié)能玻璃的主要品種

　　隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步玻璃品種越來(lái)越多，目前主要以節(jié)能為目的的品種有吸熱玻璃、鍍膜玻璃、中空玻璃、真空玻璃等。

　　2.1吸熱玻璃

　　吸熱玻璃是在玻璃本體內(nèi)摻入金屬離子使其對(duì)太陽(yáng)能有選擇地吸收同時(shí)呈現(xiàn)不同的顏色，吸熱玻璃的節(jié)能是通過(guò)太陽(yáng)光透過(guò)玻璃時(shí)將光能轉(zhuǎn)化為熱能而被玻璃吸收，熱能以對(duì)流和輻射的形式散發(fā)出去從而減少太陽(yáng)能進(jìn)入室內(nèi)。

　　2.2鍍膜玻璃

　　鍍膜玻璃在建筑上的應(yīng)用主要有兩種，即熱反射玻璃（也稱(chēng)太陽(yáng)能控制玻璃）、低輻射玻璃。

　　熱反射玻璃是在玻璃表面鍍上金屬、非金屬及其氧化物薄膜使其具有一定的反射效果，能將太陽(yáng)能反射回大氣中而達(dá)到阻擋太陽(yáng)能進(jìn)入室內(nèi)使太陽(yáng)能不在室內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能的目的。太陽(yáng)能進(jìn)入室內(nèi)的量越少，空調(diào)負(fù)荷也就越少；熱反射玻璃的反射率越高說(shuō)明其對(duì)太陽(yáng)能的控制越強(qiáng)，但是玻璃的可見(jiàn)光透過(guò)率會(huì)隨著反射率的升高而降低，影響采光效果，太高的玻璃反射率也可能出現(xiàn)光污染問(wèn)題。

　　普通平板玻璃的輻射率較高，通常為0.84。低輻射玻璃是通過(guò)在玻璃表面涂敷低輻射涂層使表面的輻射率低于普通玻璃從而減少熱量的損失來(lái)達(dá)到降低采暖費(fèi)用實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。衡量低輻射玻璃節(jié)能效果的重要指標(biāo)是輻射率。輻射率越低通過(guò)玻璃表面發(fā)生的輻射損失越少，玻璃的節(jié)能效果越好。
2.3中空玻璃

　　中空玻璃的節(jié)能效果

　　建筑物在冬季從窗戶散失的熱量是很大的。據(jù)美國(guó)統(tǒng)計(jì)，建筑物通過(guò)窗戶散失的能量約占建筑物消耗能量的30%。在瑞典占的比例更大，約70%。我國(guó)統(tǒng)計(jì)資料表明約占50%。國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐證明，提高建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能，特別是提高窗戶的保溫性能是防止建筑物熱量散失的最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法。中空玻璃在建筑上的應(yīng)用起到了關(guān)鍵的作用。據(jù)美國(guó)資料報(bào)導(dǎo)，高層辦公樓采用銀灰色中空玻璃窗每平方英尺每年采暖能耗為5494KJ，比用單層玻璃窗節(jié)能約2/3（單層玻璃窗每平方英尺每年采暖能耗為17775KJ）。

　　隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)、節(jié)能、改善居住條件等問(wèn)題要求越來(lái)越高，相應(yīng)地制定了一批技術(shù)法規(guī)。1995年修訂的《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》〈JGJ26095〉（以下簡(jiǎn)稱(chēng)新標(biāo)準(zhǔn)）要求建筑物采暖能耗比80年代的標(biāo)準(zhǔn)降低50%（其中建筑物承擔(dān)30%，采暖系統(tǒng)承擔(dān)20%），對(duì)建筑物圍擴(kuò)結(jié)構(gòu)材料和門(mén)窗的傳熱系數(shù)提出了新的要求。單層玻璃窗的傳熱系數(shù)為6W/㎡.K單框雙玻鋼塑復(fù)合窗的傳熱系數(shù)為3.5W/m2.K，單框雙玻塑料窗的傳熱系數(shù)為2.6 W/㎡.K。窗戶的傳 熱系數(shù)要達(dá)到2.5 W/㎡.K以下必須采用中空玻璃。

　　根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)，北京、天津、沈陽(yáng)、大連等地采用雙玻就能滿足要求。但是雙玻容易產(chǎn)生結(jié)露問(wèn)題，特別是當(dāng)雙玻密封不嚴(yán)時(shí)，中空層玻璃內(nèi)表面容易結(jié)霧而影響使用性能。因此，用中空玻璃取代雙玻窗是必然發(fā)展趨勢(shì)。

　　雖然我國(guó)新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)窗戶的傳熱系數(shù)的要求比原來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)有了很大提高，但同國(guó)外相比還有一定的差距。
目前我國(guó)建筑業(yè)使用中空玻璃的主要問(wèn)題是建筑造價(jià)增加。建筑造價(jià)的增加可以很快從節(jié)能中收回。規(guī)劃部門(mén)所作的建筑物使用中空玻璃的技術(shù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算結(jié)果表明，在我國(guó)寒冷地區(qū)（東北、內(nèi)蒙）使用中空玻璃取得的節(jié)能效果，在4～5年內(nèi)就可補(bǔ)償增加的建筑造價(jià)。中空玻璃由于在兩片玻璃之間形成了一定的厚度并被限制了流動(dòng)的空氣或其他氣體層從而減少了玻璃的對(duì)流和傳導(dǎo)傳熱，因此它具有了較好的隔熱能力。

　　例如由兩片5mm普通玻璃和中間層厚度為10mm的空氣層組成的中空玻璃，在熱流垂直于玻璃進(jìn)行熱傳遞時(shí)對(duì)流傳熱，傳導(dǎo)傳熱、輻射傳熱各約占總傳熱的2%、38%、60%，同時(shí)中空玻璃的單片還可以采用鍍膜玻璃和其他節(jié)能玻璃，能將這些玻璃的優(yōu)點(diǎn)都集中于中空玻璃上，也就是說(shuō)中空玻璃還可以集本身和鍍膜玻璃的優(yōu)點(diǎn)于一身，從而發(fā)揮更好的節(jié)能作用。如用一層5mm厚、表面輻射率0.2的低輻射玻璃和一層厚度為5mm的普通玻璃組成的空氣層為9mm的中空玻璃其K值月約為2.1W/㎡K。如果使用輻射率為0.08的低輻射玻璃并且將空氣層中的空氣用氬氣置換空氣層的厚度選擇12mm，其K值可以達(dá)到1.4W/㎡K。如果在中空玻璃的外片選擇熱反射玻璃他還具有控制太陽(yáng)能的作用。

　　2.4真空玻璃

　　真空玻璃是目前節(jié)能效果最好的玻璃，真空玻璃是在密封的兩片玻璃之間形成真空從而使玻璃與玻璃之間的傳導(dǎo)熱接近于零，同時(shí)真空玻璃的單片一般至少有一片是低輻射玻璃。低輻射玻璃可以減少輻射傳熱，這樣通過(guò)真空玻璃的傳熱其對(duì)流、輻射和傳導(dǎo)都很少，節(jié)能效果非常好，但目前國(guó)內(nèi)尚未形成生產(chǎn)能力。

　　2.5高性能中空玻璃
　　
　　隨著國(guó)家的建筑節(jié)能政策的逐步落實(shí)，中空玻璃正在不斷地得到推廣應(yīng)用，在節(jié)能方面取得了顯著的結(jié)果。但同時(shí)應(yīng)該看到，我們目前應(yīng)用的中空玻璃的綜合性能是比較低的。比如說(shuō)，通過(guò)玻璃的熱傳遞包括三個(gè)方面，即熱輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)，但普通中空玻璃只解決了其中的熱對(duì)流問(wèn)題，而對(duì)影響熱傳遞大得多的輻射和傳導(dǎo)并沒(méi)有解決。因此，普通中空玻璃的節(jié)能效果是有限的。高性能中空玻璃則三管齊下，從解決輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)同時(shí)入手，節(jié)能效果的提高是十分顯著的。此外，高性能中空玻璃的性能還包括：抗冷凝、降低噪音、提高熱阻和減少中空玻璃炸裂等方面。高性能中空玻璃的這些綜合性能的特點(diǎn)，可以概括為三個(gè)方面：綠色、健康、舒適。
　　
　　綠色據(jù)2004年版的《建筑玻璃實(shí)用手冊(cè)》研究成果，與普通中空玻璃相比，高性能中空玻璃的節(jié)能改善程度是36%～44%，效果是十分顯著的。高性能中空玻璃在配置上，采用低輻射玻璃和超級(jí)間隔條時(shí)，比普通中空玻璃提高節(jié)能36%；采用低輻射玻璃、超級(jí)間隔條和氬氣時(shí)，比普通中空玻璃提高節(jié)能44%。節(jié)能效果的改善對(duì)最終用戶來(lái)說(shuō)，用于能源的費(fèi)用支出會(huì)有明顯的減少。
　　
　　雖然高性能中空玻璃的支出與普通中空玻璃相比會(huì)有所增加，但由于能源費(fèi)用的節(jié)省可使增加的支出在數(shù)年內(nèi)收回。比如，在北京地區(qū)采用高性能中空玻璃的回報(bào)期約為4年。因此，使用高性能中空玻璃所增加的費(fèi)用，不應(yīng)視為成本的增加，而應(yīng)該視為是一項(xiàng)理智的投資。此外，節(jié)能效果的改善，還意味著降低能耗，減少環(huán)境污染。
　　
　　高性能中空玻璃的節(jié)能效果取決于低輻射玻璃、惰性氣體和超級(jí)間隔條的應(yīng)用。高性能中空玻璃的其它性能與超級(jí)間隔條有著密切關(guān)系。因此有必要對(duì)此重點(diǎn)介紹。
　　
　　減少密封膠的應(yīng)力中空玻璃受外界影響，如紫外線照射、熱膨脹、風(fēng)壓和氣壓等變化，會(huì)像“氣泵”一樣經(jīng)常進(jìn)行脹縮運(yùn)動(dòng)。超級(jí)間隔條使用的熱固硅酮材料，具有非常好的彈性，每次脹縮后，總能恢復(fù)到初始位置。相比之下，鋁間隔條是剛性材料，不能像超級(jí)間隔條伴隨中空玻璃的自然脹縮運(yùn)動(dòng)。
　　
　　使用超級(jí)間隔條制作的中空玻璃的耐久性和密封壽命經(jīng)P1加速老化實(shí)驗(yàn)表明其密封壽命可達(dá)100年以上。此外，使用超級(jí)間隔條，還可以減少中空玻璃的邊部應(yīng)力，從而減少中空玻璃炸裂現(xiàn)象地發(fā)生。
　　
　　舒適高性能中空玻璃能保持室內(nèi)最佳濕度和降低噪音。
　　
　　北方的冬天，由于室內(nèi)外的溫差較大，一般會(huì)在室內(nèi)的玻璃邊部出現(xiàn)冷凝。冷凝是溫度和濕度的函數(shù)。人們可以通過(guò)降低室內(nèi)的相對(duì)濕度減少冷凝。但這種方法的效果是十分有限的。
　　
　　一般來(lái)說(shuō)，人類(lèi)最適應(yīng)的相對(duì)濕度為35%～60%，低于下限，人們會(huì)感到房間十分干燥；超出上限，人們會(huì)感覺(jué)房間內(nèi)濕漉漉的。采用超級(jí)間隔條制作的三玻兩腔中空玻璃，即使在寒冷的冬天，也能在保證最佳相對(duì)濕度的同時(shí)，消除窗戶的冷凝現(xiàn)象。
　　
　　降噪作用。超級(jí)間隔條具有封閉的微孔結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的鋁間隔條和含部分金屬的間隔條相比，通過(guò)超級(jí)間隔條所傳遞的聲音微乎其微。美國(guó)ATI實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，使用超級(jí)間隔條制作的中空玻璃與使用鋁間隔條制作的中空玻璃相比，減少噪音多達(dá)18%，約2～2.5分貝。因此，高性能中空玻璃特別適用于那些住在倍受飛機(jī)、機(jī)車(chē)和汽車(chē)噪音困擾的建筑物內(nèi)的人們。
　　
　　健康超級(jí)間隔條的熱傳導(dǎo)系數(shù)是0.16W/㎡·K,僅為鋁間隔條的1/950，不銹鋼的1/85，復(fù)合膠條的1/4。
　　
　　熱阻越大意味著兩片玻璃之間的熱傳遞越少。超級(jí)間隔條的熱阻值為3.03,鋁間隔條的熱阻值為2.7。與使用鋁間隔條的中空玻璃相比，使用超級(jí)間隔條制作的中空玻璃可提高熱阻值0.33，改善12%。這意味著用于能源的支出費(fèi)用減少、減少冷凝和結(jié)霜，從而降低霉菌的繁殖機(jī)會(huì)。
　　
　　霉菌需要濕氣來(lái)繁殖生長(zhǎng)。使用超級(jí)間隔條制作的中空玻璃可以顯著地減少室內(nèi)窗戶的冷凝或結(jié)霜現(xiàn)象，這意味著影響人體健康的霉菌幾乎可以完全被消除掉。據(jù)加拿大衛(wèi)生部的一項(xiàng)研究結(jié)果表明，超級(jí)間隔條可以確保中空玻璃處于防止霉菌和細(xì)菌繁殖的最佳低濕度區(qū)域。
　　
　　美觀現(xiàn)代建筑越來(lái)越多地體現(xiàn)著曲線美，更多地使用彎中空玻璃等異型玻璃。超級(jí)間隔條是含有分子篩的硅酮微孔結(jié)構(gòu)的連續(xù)性間隔條并具有彈性，所以易加工制作各種異型玻璃，特別是雙曲和單曲（XYZ）玻璃；而金屬間隔條只適于制作XY的異型玻璃。
　　
　　同時(shí)超級(jí)間隔條有多種顏色，給人們提供了更多選擇余地。
　　
　　綜上所述，超級(jí)間隔條是高性能中空玻璃的首選材料，不但明顯地提高了中空玻璃的節(jié)能效果，而且還改善了抗冷凝能力、提高降噪效果和解決玻璃炸裂問(wèn)題，更重要的是確保最終用戶至少20年的切切實(shí)實(shí)的節(jié)能效果。因此，在國(guó)家提出進(jìn)一步提高建筑節(jié)能水平時(shí)，應(yīng)不失時(shí)機(jī)地大力推廣高性能中空玻璃，使之成為普通中空玻璃的更新?lián)Q代產(chǎn)品。

　　3 節(jié)能玻璃的選擇

　　隨著玻璃加工技術(shù)的不斷發(fā)展，可供選擇的范圍越來(lái)越大，但不管選擇哪鐘玻璃都應(yīng)把玻璃是否能有效控制太陽(yáng)能和能隔熱保溫即節(jié)省能源放在重要位置來(lái)考慮。要是玻璃在使用中能盡量減少能量損失，必須根據(jù)需要選擇合適的玻璃。在選擇使用節(jié)能玻璃時(shí)，應(yīng)根據(jù)玻璃所在位置確定玻璃品種：日照時(shí)間長(zhǎng)且處于向陽(yáng)面的玻璃應(yīng)盡量控制太陽(yáng)能進(jìn)入室內(nèi)以減少空調(diào)負(fù)荷，最好選擇熱反射玻璃或吸熱玻璃及由熱反射玻璃或吸熱玻璃組成的中空玻璃；寒冷地區(qū)或背陽(yáng)面的玻璃應(yīng)以控制熱傳導(dǎo)為主，盡量選擇中空玻璃或低輻射玻璃組成的中空玻璃。只有因地制宜選擇玻璃才能使節(jié)能玻璃更充分地發(fā)揮節(jié)能特性。